高海拔地區(qū)碾壓式瀝青混凝土心墻施工技術(shù)
——以旁多水利樞紐大壩為例

向尚君，石 林，廖 佼

(中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)水電第十支隊(duì)，四川成都 611130)

自葡萄牙1949年建成最早瀝青混凝土心墻壩Vale de Caio壩以來(lái)，瀝青混凝土防滲心墻以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工程量小、施工速度快、防滲性能可靠、適應(yīng)變形性能良好和具有一定的裂縫自愈能力等優(yōu)點(diǎn)，已在土石壩工程中得到越來(lái)越多的應(yīng)用［1-3］。隨著三峽茅坪溪碾壓式瀝青混凝土心墻土石壩的成功修建，我國(guó)碾壓式瀝青混凝土心墻筑壩技術(shù)日趨成熟，瀝青混凝土心墻土石壩逐漸向百米級(jí)的高壩發(fā)展，應(yīng)用地區(qū)也由普通內(nèi)陸地區(qū)向高寒和高海拔地區(qū)發(fā)展。近年來(lái)，在新疆、西藏等海拔相對(duì)較高的地區(qū)，瀝青混凝土心墻壩也逐漸得到應(yīng)用，如2005年開(kāi)工建設(shè)的新疆下坂地水利樞紐大壩，碾壓式瀝青混凝土心墻高78 m，壩頂高程2966 m;2011年開(kāi)工建設(shè)的西藏旁多水利樞紐大壩，碾壓式瀝青混凝土心墻高71 m，壩頂高程 4100 m，為國(guó)內(nèi)在建的海拔最高的碾壓式瀝青混凝土心墻壩。

新疆、西藏高海拔地區(qū)海拔 2500～ 5000 m，為我國(guó)最大的地震區(qū)，也是地震活動(dòng)最強(qiáng)烈、大地震頻繁發(fā)生的地區(qū)，在這一地區(qū)建造水工建筑物要求設(shè)防地震烈度高，一般達(dá)8度。喜馬拉雅地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成的海洋不斷抬升造就了青藏高原境內(nèi)大多數(shù)河流河床的覆蓋層較厚，一般在100～200m，最厚達(dá)400 m。一般高原的空氣比較干燥、稀薄，太陽(yáng)輻射比較強(qiáng)，紫外線照射強(qiáng)度大，易引起瀝青及瀝青混合料老化;同時(shí)，高海拔地區(qū)冬季低溫季節(jié)較長(zhǎng)，一般為11月至次年的3月，而6—9月為主要的雨季，對(duì)瀝青混凝土心墻施工影響較大，造成年有效施工天數(shù)較少。高地震烈度、強(qiáng)紫外線輻射、深覆蓋層、高寒等地質(zhì)和氣候特點(diǎn)是制約高海拔地區(qū)碾壓式瀝青混凝土心墻施工的主要問(wèn)題，亟待研究和解決。本文以旁多水利樞紐大壩碾壓式瀝青混凝土心墻的施工為例，對(duì)解決影響高海拔地區(qū)碾壓式瀝青混凝土心墻施工問(wèn)題的方法進(jìn)行總結(jié)，以供類似工程參考。

1 工程概況

旁多水利樞紐大壩碾壓式瀝青混凝土心墻是該類心墻第一次在西藏高海拔地區(qū)應(yīng)用，樞紐地處西藏自治區(qū)拉薩河的中游，位于林周縣旁多鄉(xiāng)下游1.5 km，距下游拉薩市直線距離約63 km，是以灌溉、發(fā)電為主，兼顧防洪和供水的綜合利用工程。樞紐庫(kù)容12.3億m3，最大壩高71 m，壩頂寬12 m，大壩為碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩，瀝青混凝土心墻頂高程4098.70 m，底高程4035.90 m，底部3 m高的瀝青混凝土心墻厚度由2.2m漸變到1.0 m，其余心墻厚度從1.0m變到0.7m，瀝青混凝土共計(jì)54865m3，心墻兩側(cè)設(shè)置4 m寬的砂礫石過(guò)渡料。圖1為旁多水利樞紐大壩碾壓式瀝青混凝土心墻典型斷面。

圖1 旁多水利樞紐大壩碾壓式瀝青混凝土心墻典型斷面 (單位:m)

樞紐大壩壩址河床主要為沖積卵石混合土，厚度一般為50～200m，最厚達(dá)400m，為深厚覆蓋層河床。壩址地處青藏高原地震區(qū)，也是地震活動(dòng)最強(qiáng)烈、大地震頻繁發(fā)生的地區(qū)，地震基本烈度為8度。壩址區(qū)每年雨季為6—9月，多年平均氣溫3.9℃，極端最高氣溫為27.4℃，極端最低氣溫為－29.3℃，多年平均降水量為533.2 mm，多年平均風(fēng)速為2.5 m/s，最大風(fēng)速為24 m/s，相應(yīng)風(fēng)向?yàn)镾W，多年平均相對(duì)濕度為47%，最大凍土深為1.3 m，紫外線輻射強(qiáng)度達(dá)8000 J/m2，是內(nèi)地的1.5～2.5倍。

2 施工原材料及設(shè)備

2．1 原材料

a．堿骨料。堿骨料原材料采用石灰?guī)r，在西藏地區(qū)因受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，一般料場(chǎng)巖體結(jié)構(gòu)破碎，風(fēng)化強(qiáng)烈，整體質(zhì)量差，在進(jìn)行料場(chǎng)選擇和勘探時(shí)要多選幾處作為備選。堿骨料破碎加工采用“兩段破碎、一級(jí)制砂”工藝，礦粉采用磨粉機(jī)進(jìn)行加工，成品骨料一般包括粗骨料、細(xì)骨料和填料，其中大石(10～20 mm)、中石(5～10 mm)、小石(2.5～5 mm)為粗骨料，砂(0.075～2.5 mm)為細(xì)骨料，礦粉(＜0.075 mm)為填料。人工骨料加工系統(tǒng)生產(chǎn)的成品骨料質(zhì)量要求穩(wěn)定，尤其骨料級(jí)配要穩(wěn)定，以利于瀝青混合料拌和質(zhì)量控制。

b．瀝青。瀝青是瀝青混凝土的有機(jī)膠結(jié)材料，碾壓式瀝青混凝土瀝青品種應(yīng)根據(jù)工程的類型、等級(jí)，以及氣候條件、工作條件和材料價(jià)格等因素進(jìn)行選擇，要保證瀝青混凝土有良好的防滲、耐久、抗裂、適應(yīng)變形能力，以滿足水利工程的實(shí)際需要。瀝青在強(qiáng)紫外線的照射下易老化，瀝青運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)一般采用倉(cāng)庫(kù)遮陰儲(chǔ)存，避免強(qiáng)輻射條件下瀝青老化。

2．2 瀝青混凝土施工機(jī)械設(shè)備

碾壓式瀝青混凝土心墻施工所用設(shè)備主要包括瀝青混合料拌和設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、攤鋪設(shè)備及碾壓設(shè)備。瀝青混凝土拌和設(shè)備采用強(qiáng)制間歇式拌和樓，主要由瀝青脫桶裝置、冷料倉(cāng)、干燥筒和攪拌主機(jī)等設(shè)備組成，在選擇拌和能力時(shí)要充分考慮到高海拔地區(qū)對(duì)設(shè)備降效的影響;運(yùn)輸設(shè)備主要有改裝裝載機(jī)和自卸車(chē)，改裝時(shí)自卸車(chē)料斗和裝載機(jī)料斗要進(jìn)行保溫改裝，并與攤鋪機(jī)攤鋪能力相適應(yīng);攤鋪機(jī)由公路攤鋪機(jī)改裝，必須自帶紅外線加熱系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的攤鋪機(jī)性能、攤鋪能力經(jīng)過(guò)改裝以后能夠滿足碾壓式瀝青混凝土心墻施工的需要，旁多水利樞紐大壩瀝青混凝土心墻攤鋪機(jī)采用徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司生產(chǎn)的RP951A型公路攤鋪機(jī)改裝;碾壓設(shè)備主要采用1.5 t振動(dòng)碾和2.5 t振動(dòng)碾，選用振動(dòng)碾時(shí)要考慮高原缺氧的影響，一般發(fā)動(dòng)機(jī)要配備有渦輪增壓器。

3 施工參數(shù)的確定

3．1 配合比的確定

碾壓式瀝青混凝土心墻施工配合比主要通過(guò)試驗(yàn)確定，先由室內(nèi)配合比試驗(yàn)為現(xiàn)場(chǎng)施工模擬試驗(yàn)推薦瀝青混凝土的配合比，再經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工模擬試驗(yàn)確定施工配合比，最終由現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證［4-5］。對(duì)骨料級(jí)配和含量?jī)蓚€(gè)主要參數(shù)，骨料級(jí)配采用礦料級(jí)配指數(shù)法確定，瀝青含量(油石比)的確定要充分考慮深覆蓋層、高地震烈度對(duì)心墻的變形要求，一般要適當(dāng)提高瀝青含量，以適應(yīng)高海拔地區(qū)對(duì)心墻大變形的要求。旁多水利樞紐大壩碾壓式瀝青混凝土心墻配合比采用礦粉11.8%、砂25.8%、小石25.8%、中石19.6%、大石24.6%，瀝青含量7.1%(瀝青含量采用油石比，即瀝青與礦料質(zhì)量之比)，瀝青含量與國(guó)內(nèi)低海拔地區(qū)同類工程相比要高0.3%～0.6%。

3．2 現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)的確定

碾壓式瀝青混凝土心墻現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)主要通過(guò)施工模擬試驗(yàn)確定，根據(jù)不同瀝青含量、不同初碾溫度與不同碾壓遍數(shù)之間碾壓式瀝青混凝土心墻的孔隙率關(guān)系曲線，確定碾壓式瀝青混凝土心墻的初碾溫度、碾壓遍數(shù)，同時(shí)通過(guò)夜間低溫施工試驗(yàn)，確定針對(duì)夜間施工和低溫季節(jié)施工采取的防護(hù)措施。施工模擬試驗(yàn)在確定施工參數(shù)的同時(shí)，針對(duì)高海拔地區(qū)尚未解決的問(wèn)題進(jìn)行試驗(yàn)和探索，同時(shí)也是一個(gè)人機(jī)磨合的過(guò)程。

4 碾壓式瀝青混凝土心墻施工

4．1 瀝青混合料的制備

瀝青混合料制備主要包括骨料初配、骨料干燥、二次篩分、瀝青混合料拌和及成品料儲(chǔ)存等工序。拌制瀝青混合料時(shí)，先投骨料和礦粉干拌15～25 s，再噴灑瀝青拌和45～60 s，確保拌制出的瀝青混合料色澤均勻、稀稠一致，無(wú)花白料、黃煙及其他異?，F(xiàn)象，卸料時(shí)不產(chǎn)生離析。二次篩分后骨料級(jí)配的質(zhì)量及瀝青稱量準(zhǔn)確程度決定了瀝青混合料的拌和質(zhì)量，瀝青混合料的拌和質(zhì)量采用抽提試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料的配比進(jìn)行檢測(cè)來(lái)確定。瀝青混合料拌制時(shí)配比允許偏差瀝青為±0.3%、礦粉為±2.0%、細(xì)骨料為±4.0%、粗骨料為±5.0%，瀝青混合料的配合比須根據(jù)二次篩分的骨料級(jí)配進(jìn)行調(diào)整，抽提試驗(yàn)根據(jù)調(diào)整的配合比確定拌和樓的瀝青混合料拌和質(zhì)量［6］。為確保瀝青混合料的拌和質(zhì)量穩(wěn)定和二次篩分時(shí)儲(chǔ)料倉(cāng)溢出骨料較少，節(jié)約骨料干燥燃油成本，要求一次篩分的成品骨料級(jí)配要相對(duì)穩(wěn)定。

4．2 施工方法

碾壓式瀝青混凝土心墻的施工分人工攤鋪施工和機(jī)械攤鋪施工，人工攤鋪施工可分為人工立模、裝載機(jī)入倉(cāng)、人工平倉(cāng)等工序，施工工藝流程如圖2所示［7］;機(jī)械攤鋪采用攤鋪機(jī)同時(shí)攤鋪瀝青混合料和砂礫石過(guò)渡料、瀝青混凝土心墻一次成型的施工方法，施工工藝流程如圖3所示。瀝青混凝土心墻施工要重點(diǎn)控制好兩個(gè)方面，一是做好施工的溫度控制，二是要做好結(jié)合部位的處理，其余工序按照常規(guī)施工方法進(jìn)行管理和控制。旁多水利樞紐大壩碾壓式瀝青混凝土心墻因提高了瀝青含量，碾壓過(guò)程為防止粘碾和陷碾，采用蓋布碾壓，布料使用帆布，布的寬度要比心墻寬20 cm左右，碾壓完成后要及時(shí)撤掉帆布以利于心墻排氣。

圖2 人工攤鋪工藝流程

圖3 機(jī)械攤鋪工藝流程

4．3 溫度控制

溫度控制作為碾壓式瀝青混凝土心墻施工最重要的一環(huán)［8］，貫穿瀝青混凝土心墻施工的各個(gè)環(huán)節(jié)，從瀝青混合料的拌和、運(yùn)輸?shù)綄用婕訜?、結(jié)合縫處理、瀝青混合攤鋪與碾壓，無(wú)不與溫度控制密切相關(guān)。在高海拔地區(qū)，晝夜溫差較大，冬季氣溫較低，溫度控制在碾壓式瀝青混凝土心墻施工中顯得更為重要。

a．瀝青混合料拌和溫度控制主要包括瀝青加熱溫度控制、骨料干燥溫度控制和出機(jī)口溫度控制，瀝青恒溫溫度控制在150～170℃，嚴(yán)格控制上限溫度，恒溫時(shí)間不超過(guò)24 h，以防瀝青老化。瀝青混合料運(yùn)輸設(shè)備須經(jīng)過(guò)保溫改裝，以減少瀝青混合料的溫度損失。根據(jù)瀝青混合料現(xiàn)場(chǎng)溫度損失試驗(yàn)，人工攤鋪從瀝青混合料拌和到攤鋪完成溫度損失為8～16℃，機(jī)械攤鋪溫度損失低于人工攤鋪溫度損失，為確?，F(xiàn)場(chǎng)初碾溫度，骨料加熱溫度為170℃左右，出機(jī)口溫度控制在160℃左右，在低溫季節(jié)，瀝青混合料出機(jī)口溫度要提高10～20℃，相應(yīng)骨料加熱溫度提高至180～200℃。

b．瀝青混凝土心墻施工溫度控制主要包括層面結(jié)合溫度控制、瀝青砂漿溫度控制、初碾溫度控制和終碾溫度控制，人工攤鋪段層面結(jié)合采用紅外線加熱器加熱，攤鋪機(jī)攤鋪段采用攤鋪機(jī)自帶的紅外線加熱器加熱，加熱溫度不低于70℃，在夏季施工層面可以不加熱，瀝青砂漿施工溫度控制在160℃左右。在高海拔地區(qū)初碾溫度控制在140～150℃，終碾溫度不低于110℃，在低溫季節(jié)溫度須適當(dāng)提高。接頭等結(jié)合部位處理時(shí)，結(jié)合部位使用紅外線加熱器加熱，溫度不低于70℃。

4．4 施工保證措施

a．層面及接頭處理措施。瀝青混凝土心墻層間結(jié)合采用紅外線加熱器加熱處理，軟化深度不小于5 mm，夏季心墻連續(xù)施工中，在上層施工時(shí)下層溫度還未完全損失，可以不對(duì)心墻加熱。施工過(guò)程的橫向接頭上下層錯(cuò)距不小于2 m，接頭施工時(shí)將表面松散顆粒清除后進(jìn)行瀝青混凝土心墻的對(duì)接，對(duì)接頭部位的碾壓要重點(diǎn)控制，確保接頭施工質(zhì)量，必要時(shí)涂抹一層瀝青砂漿。瀝青混凝土心墻分兩期施工時(shí)，一般采用擴(kuò)大接頭或刺墻接頭(圖4)，一期接頭施工完成后，瀝青在覆蓋帆布的同時(shí)，再在上面覆蓋1 m厚的砂礫石過(guò)渡料;二期心墻施工時(shí)將一期心墻清理干凈，在一期接頭上涂抹一層瀝青砂漿后進(jìn)行一二期接頭處理，在一二期接頭內(nèi)要在不同高程布設(shè)位移計(jì)、應(yīng)變計(jì)等觀測(cè)儀器。

圖4 一二期心墻接頭類型

b．低溫季節(jié)施工防護(hù)措施。大風(fēng)或低溫天氣瀝青混凝土心墻表面溫度會(huì)下降過(guò)快，在表面易形成一層冷硬層，使心墻內(nèi)部氣泡不易排出，導(dǎo)致孔隙率超標(biāo)。在大風(fēng)及低溫季節(jié)，瀝青混凝土心墻攤鋪完成后用帆布覆蓋，適當(dāng)提高初碾溫度和碾壓遍數(shù)，碾壓完成后要用保溫罩覆蓋，保溫罩采用鋼筋骨架和白鐵皮面板制作，保溫罩上面還需蓋棉被保溫，防止心墻表面溫度下降過(guò)快。瀝青混凝土心墻越冬采用在心墻表面覆蓋帆布，再在心墻上鋪砂礫石過(guò)渡料的方法進(jìn)行防護(hù)，砂礫石過(guò)渡料的厚度不小于當(dāng)?shù)貎鐾翆拥暮穸取?/p>

c．防紫外線措施。紫外線照射會(huì)引起心墻表面瀝青老化，降低層間結(jié)合力，而高海拔地區(qū)紫外線輻射更強(qiáng)，因此采取防紫外線措施尤為必要。日常施工時(shí)，采用帆布覆蓋瀝青混凝土心墻，防止紫外線直接照射到心墻的表面。對(duì)施工間隔期較長(zhǎng)的瀝青混凝土心墻，在表面覆蓋帆布的同時(shí)，還要用砂礫石對(duì)其進(jìn)行覆蓋，砂礫石厚度一般為50～100 cm。

d．雨季施工措施。在雨季施工時(shí)，要密切注意工區(qū)內(nèi)的天氣動(dòng)態(tài)，有下雨征兆時(shí)立即停止瀝青混合料的拌和，及時(shí)完成已拌和好的瀝青混合料鋪填，用帆布覆蓋已鋪好的心墻，及時(shí)碾壓，對(duì)已準(zhǔn)備好的倉(cāng)位用防雨布覆蓋。雨停后，對(duì)倉(cāng)面進(jìn)行清理，用紅外線加熱器烘干倉(cāng)位表面積水后可繼續(xù)施工。

e．跨心墻交通保證措施。心墻兩側(cè)2 m范圍內(nèi)不允許有超過(guò)10 t以上大型機(jī)械作業(yè)，更不允許有大型機(jī)械直接跨越心墻，道路需跨越心墻時(shí)應(yīng)采用棧橋跨越［9］，棧橋長(zhǎng)度不得小于3m，跨中距離心墻高度不小于10cm，棧橋不能長(zhǎng)時(shí)間放置于同一位置。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)水利水電工程開(kāi)發(fā)的日益深入，在西藏等高海拔地區(qū)建壩將會(huì)越來(lái)越多，碾壓式瀝青混凝土心墻土石壩以其自身的優(yōu)點(diǎn)和對(duì)環(huán)境破壞較小將成為主推壩型而被廣泛應(yīng)用。旁多水利樞紐大壩碾壓式瀝青混凝土心墻作為碾壓式瀝青混凝土心墻在西藏高海拔地區(qū)的首次應(yīng)用，針對(duì)高海拔地區(qū)高地震烈度、深覆蓋層、強(qiáng)輻射和低溫條件等不利因素采取了多項(xiàng)施工保證措施。試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明，采取的施工措施是有效的，碾壓式瀝青混凝土心墻孔隙率、抗?jié)B、變形等各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，但高海拔地區(qū)的特有的地質(zhì)、氣候特點(diǎn)對(duì)心墻的影響是長(zhǎng)期的，瀝青在強(qiáng)輻射條件下的老化規(guī)律等問(wèn)題還需進(jìn)一步深入研究，以有利于碾壓式瀝青混凝土心墻在高海拔地區(qū)的推廣應(yīng)用。

［1］張懷生．水工瀝青混凝土［M］．北京:中國(guó)水利水電出版社，2005．

［2］朱晟，聞世強(qiáng)．當(dāng)代瀝青混凝土心墻壩的進(jìn)展［J］．人民長(zhǎng)江，2004，35(9):9-11．(ZHU Hao，WEN Shiqiang．The progress of the contemporary asphalt concrete core dam［J］．Yangtze River，2009，35(9):9-11．(in Chinese))

［3］王德庫(kù)，金正浩．土石壩瀝青混凝土防滲心墻施工技術(shù)［M］．北京:中國(guó)水利水電出版社，2005．

［4］羅宗偉．旁多水利樞紐大壩心墻碾壓式瀝青混凝土室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)及成果分析［J］．四川水力發(fā)電，2011，30(增刊 1):33-37．(LUO Zongwei．Laboratory mix design for roller compacted asphalt concrete in dam core of Pangduo Hydropower Project and test result analysis［J］．Sichuan Water Power，2011，30(Sup1):33-37．(in Chinese))

［5］向尚君，邱熾興，趙興安．旁多大壩碾壓式瀝青混凝土心墻配合比設(shè)計(jì)［J］．人民長(zhǎng)江，2013，44(7):23-25．(XIANG Shangjun，QIU Chixing，ZHAO Xing’an．Design of mix proportion of roller-compacted asphalt concrete core wall in Pangduo Hydraulic Complex［J］．Yangtze River，2013，44(7):23-25．(in Chinese))

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［8］DL/T 5363—2006 水工碾壓式瀝青混凝土施工規(guī)范［S］．

［9］覃新聞，黃小寧，彭立新，等．瀝青混凝土心墻設(shè)計(jì)與施工［M］．北京:中國(guó)水利水電出版社，2011．